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Aug 28, 2023

새로운 '움푹 패인' 복합재는 필요에 따라 광자를 '비틀' 수 있습니다.

Los Alamos National Laboratory를 구독하면 언제든지 구독을 취소할 수 있는 이용 약관 및 정책에 동의하게 됩니다. 로스 알라모스 국립 연구소(Los Alamos National Laboratory)의 연구원들이 성공적으로 개발했습니다.

로스앨러모스 국립연구소

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로스앨러모스 국립연구소(Los Alamos National Laboratory) 연구원들은 양자 데이터 교환, 특히 암호화에 중요할 수 있는 특정 유형의 광자를 생성하는 새로운 방법을 성공적으로 개발했습니다. "원형 편광"이라고 불리는 특정 종류의 광자는 지금까지 생성하고 제어하는 ​​것이 어려운 것으로 입증되었지만 이 새로운 기술을 사용하면 프로세스가 더 쉽고 중요하게 저렴해졌습니다. 이는 두 개의 서로 다른 원자적으로 얇은 재료를 쌓아 예측 가능한 방식으로 광자를 "비틀어"(분극)시킴으로써 달성되었다고 팀은 설명합니다.

로스앨러모스 국립연구소(Los Alamos National Laboratory)의 과학자인 Han Htoon은 “우리의 연구는 단층 반도체가 외부 자기장의 도움 없이 원형 ​​편광을 방출하는 것이 가능하다는 것을 보여줍니다.”라고 설명했습니다. “이 효과는 부피가 큰 초전도 자석에 의해 생성된 높은 자기장을 사용하거나, 양자 방출기를 매우 복잡한 나노크기 포토닉스 구조에 결합하거나, 스핀 편극 캐리어를 양자 방출기에 주입함으로써 이전에만 달성되었습니다. 우리의 근접 효과 접근 방식은 제조 비용이 저렴하고 신뢰성이 높다는 장점이 있습니다."라고 그는 덧붙였습니다.

편광 상태는 생성된 광자를 효과적으로 "인코딩"하므로 이는 양자 암호화 및 통신에 중요한 단계입니다. Htoon은 “단일 광자 스트림을 생성하고 편광을 도입하는 소스를 통해 본질적으로 두 장치를 하나로 결합했습니다.”라고 말했습니다.

이를 달성하기 위해 통합 나노기술 센터의 연구팀은 원자현미경을 사용하여 물질 스택에 일련의 나노미터 규모의 압흔 또는 "움푹 들어간 부분"을 만들었습니다. 스택은 니켈 인 삼황화물 자기 반도체의 더 두꺼운 층 위에 적층된 단일 분자 두께의 텅스텐 이셀레나이드 반도체 층으로 구성되었습니다. 직경이 약 400나노미터인 각 홈은 사람의 머리카락 너비에 걸쳐 200개 이상 들어갈 수 있습니다.

그런 다음 연구원들은 "움푹 들어간 곳"이 텅스텐 디셀레나이드가 개별적인 빛 입자(광자)를 방출하게 한다는 것을 발견했습니다. 그들은 또한 방출된 광자에 특별한 비틀림("원형 편광")을 부여하는 방식으로 바닥 물질의 자기 특성을 변경한 것으로 밝혀졌습니다.

연구팀은 이 메커니즘을 확인하기 위해 국립고자기장연구소(National High Magnetic Field Laboratory)와 광학 분광학 실험을 진행했고, 바젤대학교(University of Basel)와 함께 국소 자기 모멘트의 자기장을 측정했다. 이를 통해 연구팀은 실험에서 단일 광자 흐름 편광을 제어하는 ​​새로운 방법을 성공적으로 시연했습니다. 정말 인상적인 업적입니다!

앞으로 팀은 이론적으로 양자 정보를 광자 흐름으로 인코딩할 수 있는 전기 또는 마이크로파 자극을 사용하여 단일 광자의 "원형 편광" 정도를 변조하는 방법을 탐색하고 있습니다. 도파관이라고 불리는 미세한 빛의 도관은 광자 흐름의 결합을 허용하여 광자 회로를 생성할 수도 있습니다. 가능하다면 이러한 "회로"는 매우 안전한 양자 인터넷의 기초를 형성할 수 있습니다.

Nature Materials 저널에서 직접 연구 내용을 볼 수 있습니다.

연구 개요:

원형 편광 및 비고전적 통계를 사용하여 단일 광자를 생성할 수 있는 양자 발광체는 양자 네트워크를 위한 비가역 단일 광자 장치 및 결정론적 스핀-광자 인터페이스를 가능하게 할 수 있습니다. 현재까지 이러한 키랄 양자 빛의 방출은 강한 외부 자기장의 적용, 스핀 편극 캐리어/여기자의 전기/광학 주입 또는 복잡한 광자 메타구조와의 결합에 의존합니다. 여기서 우리는 외부 자기장이 0인 상태에서 단층 WSe2/NiPS3 이종 구조의 나노압입을 통해 자유 공간 키랄 양자 발광기의 생성을 보고합니다. 이러한 양자 발광기는 펌프 레이저 편광과 관계없이 높은 수준의 원형 편광(0.89) 및 단일 광자 순도(95%)로 방출합니다. 스캐닝 다이아몬드 질소 공극 현미경 및 온도 의존적 ​​자기 광발광 연구는 키랄 양자 발광이 WSe2 단층의 국부적 여기자 사이의 자기 근접 상호 작용과 NiPS3의 반강자성 순서 결함의 면외 자화로부터 발생한다는 것을 보여줍니다. 둘 다 나노 크기 압입과 관련된 변형 장에 의해 동일 위치에 있습니다.